Etude expérimentale des caractéristiques d’un distillateur solaire à effet de serre

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Etude expérimentale des caractéristiques d’un distillateur solaire à effet de serre

A. Deliou^1*, N. Bessas¹, Z. Belgroun¹, H. Aburideh¹, A. Lounis² et A. Chikouche¹

1Unité de Développement des Equipements Solaires, ‘UDES’

Route Nationale N°11, B.P. 365 Bou-Ismail, Wilaya de Tipaza, Algérie 2 Laboratoire des Sciences et Génie des Matériaux, Université des Sciences et de la

Technologie Houari Boumediene, ‘USTHB’, B.P. 32 El Alia, Alger, Algérie.

Résumé - Dans le but d’améliorer le rendement d’un distillateur à effet de serre, nous avons étudié expérimentalement l’effet des paramètres de conception et d’ensoleillement, sur l’évolution de la production et sur l’efficacité interne et globale d’un distillateur solaire de type chapelle réalisé au niveau du laboratoire. L’application de la méthode du bilan énergétique global nous a permis de calculer l’efficacité optique et le facteur global des pertes thermiques. Notre distillateur fonctionne sous les conditions climatiques de la ville de Bou-Ismail (située à 3639' de latitude, 242' de longitude et à environ 5 m d’altitude). Cet équipement a été testé pendant les mois de mai, juin et juillet 2007. La production journalière enregistrée en eau distillée varie de 4.80 à 6.55 litres sous un rayonnement journalier reçu sur le plan et variant dans une marge de 481.741 à 900.81 W/m² sous une température ambiante qui varie de 20.6 à 32.5 °C, une température de la saumure comprise entre 40.7 et 76.0 °C, l’efficacité interne moyenne est de 32.60 % avec une efficacité globale variant de 5.84 à 56.45 %. De plus la qualité d’eau est traduite par sa conductivité électrique qui est de l’ordre de 6 µs/cm (la norme donne < à 80 µs/cm) à partir d’une eau d’alimentation (2200 µs/cm), d’où une performance de distillation de l’ordre de 99,37 %.

Mots clés: Distillateur solaire - Méthode du bilan global - Efficacité - Conductivité électrique - pH.

1. INTRODUCTION

La distillation solaire est un procédé de production d’eau douce à fort économique, surtout dans les régions caractérisées par un bon ensoleillement [1]. L’optimisation de la production des installations utilisant l’énergie solaire a fait l’objet de nombreuses études expérimentales et théoriques [2-4]. Plusieurs types de distillateurs solaires ont été réalisés, les plus répandus sont ceux du type à effet de serre. En effet ils présentent l’avantage d’être simple, facile à réaliser, de conception rustique, et peu coûteux.

L’objectif de ce travail est l’étude de l’influence de l’irradiation globale, la température ambiante, la température de l’eau sur l’efficacité du distillateur à effet de serre de type chapelle par l’approche de la méthode du bilan thermique global.

2. PARTIE EXPERIMENTALE 2.1 Equipements et matériel

Notre étude a été menée sur un distillateur réalisé, à l’échelle du laboratoire. Il est constitué d’une capacité étanche ou un bac dont le fond noir de 1,39 m² de surface teinté d’une couche noire absorbante à base d’une peinture cellulosique noire. Un

* del032003@yahoo.fr

process provienne d’un puits donc chargée en minéraux. Le bac est rempli d’une lame d’eau de 2,5 cm, soit le 1/3 de la hauteur, le niveau de ce dernier est maintenu par un appoint d’eau de la citerne dont la conductivité est d’environ 2 mS/cm). L’augmentation de la température due à l’effet de serre fait réchauffer l’air au-dessus de l’eau saline qui s’évapore. Cette capacité d’évaporation grandit au fur et à mesure que la température augmente jusqu’à ce que l’air atteigne sa saturation en vapeur d’eau: l’humidité relative est alors de 100 %. La vapeur d’eau que contient l’air chaud est refroidie par l’air ambiant et se condense au vitrage (Fig. 1). Il y a une formation de gouttes d’eau qui s’écoulent à la partie inférieure du vitrage mis en pente dans une gouttière qui la conduit à un réservoir de stockage [5].

Fig. 1: Principe de fonctionnement d’un distillateur solaire L’étude expérimentale va porter sur la mesure des paramètres suivants:

Le rayonnement solaire global sur un plan horizontal est mesuré à l’aide d’un pyranomètre.

Les différentes températures sont mesurées à l’aide des thermocouples type K (Chromel - Alumel). Ces paramètres climatiques de l’intérieur et de l’extérieur de la serre sont prélevés au bout de chaque heure par un instrument appelé Testo 925.

Un conductivimètre de type Inolab (Cond level1) permet de mesurer la conductivité et le pH des solutions.

Fig. 2: Disposition des thermocouples 2.3 Le bilan énergétique

Deux approches ont été proposées pour le calcul du bilan énergétique, méthode des nœuds et le bilan global [6]. Dans ce papier, nous appliquons la deuxième méthode.

Généralement, le distillateur est assimilé à une boîte noire contenant une charge d’eau saumâtre et fonctionnant entre deux sources de chaleur: la saumure (source chaude) à une température moyenne T_w et l’ambiance (source froide) à une température moyenne T_a. La fraction de la puissance solaire incidente (Q_inc) et absorbée par la charge d’eau (Q_abs) est utilisée comme chaleur utile (Q_u) pour l’évaporation d’une quantité d’eau et la fraction restante (Q_p) est perdue vers l’ambiance. L’application de la première loi de la thermodynamique à un volume de contrôle (Fig. 3) délimitant la surface effective pertinente du système permet d’écrire le bilan d’équilibre thermique du système.

Fig. 3: Bilan thermique du système

Tw: Température moyenne du distillateur; T_a: Température ambiante; Q_abs: Puissance absorbée par l’eau; Q_inc: Puissance solaire incidente; Q_u : Chaleur utile;

Qp: Chaleur perdue vers l’ambiance.

( )

[

_{t g l w a}

]

c p abs

u Q Q A I U T T

Q = − = α − − (1)

i t g c

v w

g u .

I . A

L . m Q

Q = =α η

=

η

∑ ∑

(5)

Où L_v est la chaleur latente d’évaporation à la température de l’eau et m le débit du distillat. L_v est donné par [8]:

( )

[

883 0.668 T 273.15

]

18 . 4

L_v = − _w + (6)

La combinaison des équations (1) et (2) permet de déduire le rendement global comme suit:

X . B I A

T U T

g a l w

t

g = −

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡ −

− α

=

η (7)

Les constantes A et B de l’équation (7) sont respectivement l’absorptivité effective de la saumure et le facteur des pertes globales du distillateur. Elles peuvent être déduites par un simple lissage sur le nuage de points de mesure, du rendement η_g en fonction de la variable réduite X par la technique des moindres carrées.

Le système est étudié en régime permanent. On considère que:

- Les propriétés physiques et optiques sont constantes.

- les températures de fonctionnement sont uniformes.

- les facteurs des pertes sont linéaires et indépendant de la température.

2.4 Caractéristiques de fonctionnement du distillateur solaire

Plusieurs grandeurs sont définies afin de caractériser la production d’eau d’un distillateur. On distingue constamment, le rendement, l’efficacité interne et globale, et la performance.

2.4.1 Le rendement

C’est la quantité d’eau produite par unité de surface de plan noir et par jour.

L’inconvénient majeur de ce critère est qu’il ne fait pas mention de l’énergie solaire qui arrive sur le distillateur.

2.4.2 L’efficacité L’efficacité globale

L’efficacité globale est définie par le rapport:

g g g ev

A I

= Q

η (8)

L’efficacité interne

Si l’efficacité globale rapporte la quantité d’eau produite à l’énergie solaire tombant sur une surface horizontale, elle ne fait pas mention de la quantité d’énergie entrant réellement dans le distillateur, d’autant plus qu’un distillateur est construit en général pour un lieu donné et avec une pente de couverture fixe. Un changement de pente et de la localité fait varier la quantité d’énergie qui entre dans le distillateur. On définit donc une efficacité dite interne qui tient compte de tous ces paramètres et qui est définie par:

w i ev

Q

= Q

η (9)

2.4.3 La performance

Le souci de caractériser un distillateur d’une manière absolue a amené ainsi Satcunanathan et Hansen [9] à définir le facteur de performance brut (F.P.B) et le facteur de performance horaire (F.P.H):

heure une ' d bout au entrée énergie ' d Quantité

heure une ' d bout au produite eau

' d Quantité FPH

h 24 de bout au entrée énergie ' d Quantité

h 24 de bout au produite eau

' d Quantité FPB

=

=

(10)

A un instant donné de la journée, le facteur de performance ‘’F.P’’ est donné par la relation:

g g t

d A I FP m

×

×

= α (11)

3. RESULTATS ET DISCUSSION

On a choisi la journée du 16/07/2007 qui se caractérise par un ciel clair toute la journée avec une température maximale de 30.8 °C, précisons que l’heure d’apparition de la première goutte était à 10h30 et la quantité totale du distillat recueilli jusqu’à 15h30 est égale a 2645 ml.

La figure 4 présente l’évolution les différentes températures en fonction du temps.

On remarque que les températures augmentent au fur et à mesure que la température ambiante T_amb augmente jusqu'à avoir une température maximale d’une valeur de 74.5°C qui correspond à celle du bac.

La figure 5 illustre la quantité du distillat en fonction du temps. Pour cette journée, elle est croissante jusqu’à l’arrivée à la valeur de 660 ml à 14 h 30.

La production du distillateur augmente quand la température de la saumure s’élève.

Cependant, cette augmentation reste lié à la vitesse du vent et à la température ambiante.

La conductivité et le pH du distillat ont la même allure, ils diminuent en fonction du temps (Fig. 6 et 7).

De plus, on remarque que le processus de distillation est différent entre 16h00 et 8h30 (pendant la nuit) du moment où la conductivité est généralement de l’ordre de moins de 8 µs/cm, ce qui peut être du à la vitesse de distillation.

Le pH passe de 7 à 4, ceci va être l’objet d’autres analyses chimiques plus poussées.

Fig. 4: Différentes températures en fonction du temps (16/07/2007)

Fig. 5: Quantité du distillat en fonction du temps (16/07/2007)

Fig. 6: Conductivité en fonction du temps (16/07/2007)

Fig. 7: PH en fonction du temps (16/07/2007)

Fig. 8: Évolution de l’irradiation solaire (16/07/2007)

Cette journée se caractérise par un ciel clair avec une température ambiante de 30,8

°C, l’apparition de la première gouttelette a été obtenue à 9h 30 donc pour une valeur d’irradiation de 481.741 W/m².

Fig. 9: Bilan de l’irradiation solaire au niveau du verre (16/07/2007)

Fig. 10: Evolution de l’efficacité en fonction de

[ (

Tw −Ta

)

Ig

]

A partir du graphe, on tire les valeurs de B et A qui correspondent respectivement à l’ordonnée à l’origine et la pente de la droite, A=0.839 et B=9.61. Donc par analogie entre (01) et (02), on obtient :

839 . t =0

α et U_l =9.61 W/m²°C

Sur la figure 9, nous constatons que l’accroissement de l’écart de température

(

T_w −T_a

)

, augmente la différence de température entre les surfaces intérieure et extérieure du distillateur, cette dernière étant en contact avec l’air ambiant. II en résulte un accroissement de différence de pressions partielles, ce qui provoque l’augmentation de la quantité d’eau condensée.

Les résultats expérimentaux, nous ont permis de déterminer les différentes valeurs Qabs, Q , _p Q_u, T_w et T_a.

Fig. 11: Bilan énergétique du distillateur

On déduit l’efficacité interne moyenne η_i à partir de l’équation 5, on trouve

% 50 . in =38

η .

CONCLUSION

Le problème de la production d’eau douce par la voie solaire est important à deux points de vue: nécessité d’économiser l’énergie et souci de se procurer des nouvelles ressources hydrauliques.

Ce papier, présente l’évaluation expérimentale des principaux paramètres influençant sur les caractéristiques de fonctionnement d’un distillateur solaire.

Les résultats obtenus ont montré que la production, l’efficacité interne et globale du distillateur solaire accroît avec l’irradiation solaire et l’augmentation de l’écart des températures ambiantes et les températures de l’eau.

L’efficacité optique obtenue expérimentalement par la méthode du bilan global (0.839) et comparée à la valeur théorique (0.85) est en bon accord, si on prend en considération toutes les erreurs.

Suite aux différentes expériences menées sur notre distillateur à effet de serre de type chapelle, nous avons constaté que pour améliorer son rendement et le rendre performant, il faudra:

- Un gain en chaleur peut être apporté par un préchauffage de l’eau d’alimentation par un capteur plan.

- Augmenter l’angle d’inclinaison pour accélérer la condensation.

- Afin d’augmenter l’absorption, on recommande d’utilisé soit du verre d’épaisseur supérieur à 3 mm ou bien de verre armé ou du plexiglas.

- Réduire les pertes thermique pour cela, on propose d’effectuer une isolation du bas du bac avec la laine de verre.

REFERENCES

[1] M.A.S. Malik, G.M. Tiwari and A. Kumar, ’Solar Distillation’, Pergamon Press Ltd., 1982.

[2] P.I. Cooper, ‘Solar Distillation, Solar Energy Progress in Australia and New Zealand’. In:

Publication of the Australian and New Zealand Section of Solar Energy, Vol. 8, p. 45, 1969.

[3] A. Khedim, ‘Mesure et Caractérisation d'un Système Solaire de Dessalement d'Eau de Mer à Etages Multiples’. Thèse de Doctorat, Université de Liège, Belgique, 2005.

[4] C. Khelif et B. Touati, Station d’expérimentation des équipements solaires en milieu saharien, Adrar, Algérie, 1998.

[5] K.G. Trofimov, ‘The Use of Solar Energy in the National Economy’, Uzbek SSR State Press, Tashkent, 1930.

[6] A. Chaker et N. Boukerzaza, ‘Caractéristiques de Fonctionnement d'un Distillateur Solaire’, 12^èmes Journées Internationales de Thermique (JITH), Tome 2, pp. 53 - 56, Tanger, Maroc, Nov. 2005.

[7] M.H. Kerrouche, C. Kerssi, O. Bellache et A. Hamid, ‘Etude Comparative entre Deux Distillateurs Solaires, l’Un Type Cascade, l’Autre Chapelle’, Revue Internationale d’Héliotechnique, 2000.

[8] R.V. Dunkle, ‘Solar Water Distillation: The Roof Type still and a Multiple Effect Diffusion Still’, Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization, Victoria, Australia, pp.

895 - 902, 1961.